专利名称：半导体输入控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体输入控制系统、微电子机械系统(MEMQ、传感器，且更具体地涉及用于多种用途且尤其用于消费用途和其它用途的手指鼠标和微型操纵杆的单轴或双轴或三轴力传感器。
背景技术：
已知基于带有柔性膜片上的应力灵敏部件的微型机加工硅芯片的单轴或双轴或三轴力传感器。现有技术使用带有应力灵敏部件的硅芯片，这些部件利用金属杆或销粘结到金属弹性元件以施加外力。这些力传感器的封装一般较复杂、较大且较贵。然而，有对于单轴、双轴和三轴输入力控制装置的需要，这些装置低成本、较小、可靠、稳定、提供X、Y或X、Y、Z灵敏度之间经选择的比率、低横轴线灵敏度、与CMOS工艺集成、可缩放、用于施加外力的方便的解决方式，施加的力及偏转的可选择的组合以及大量应用的可制造性。此类例子是诸如蜂窝电话、便携式游戏机、数字照相机等的消费者市场和用途，使用用户触觉力输入作为用户界面的一部分。
发明内容
已公开适于诸如蜂窝电话、便携式游戏装置和其它手持电子装置的大量应用的低成本力输入控制装置。该装置包括力传感器芯片，该芯片形成于半导体衬底内并包含力施加区、至少一个力传感器，该力传感器响应于施加到力施加区的外力而提供电输出信号；至少一个信号调节和处理集成电路，该电路提供来自力传感器的输出信号的调节和处理；封装，该封装封闭力传感器芯片的至少一部分并包括联接到传感器芯片的力传递元件以将外力传递到力传感器芯片；以及机械联接到封装的力传递元件的按钮以提供与外力的接口。—些实施例提供一种用于将机械信号输入电子系统的半导体输入控制装置，该装置包括形成于半导体衬底内的力传感器芯片，力传感器芯片包括第一面和第二面、电气连接元件、力施加区和至少一个力传感器，该力传感器响应于施加到力施加区的外力而提供电输出信号；以及封闭力传感器芯片的至少一部分的封装，该封装包括将外力传递到力传感器芯片的力传递元件；其中，电气连接元件位于力传感器芯片的第一面上，而力施加区位于力传感器芯片的第二面上，且力传递元件联接到力传感器芯片的第二面上的力施加区。其它的实施例提供用于将机械信号输入到电子系统中的半导体输入控制装置，该装置包括形成于半导体衬底内的力传感器芯片，该力传感器芯片包括第一面和第二面、电气连接元件、力施加区和至少一个力传感器，该力传感器响应于施加到力施加区的外力而提供电输出信号；封装，该封装封闭力传感器芯片的至少一部分；以及力传递元件，其与力施加区协作，将外力传递到力传感器芯片；其中，力传感器芯片的力施加区和电气连接元件位于力传感器芯片的第一面上，且当施加外力时，力传递元件与力传感器芯片的第一面上的力施加区接触。还有另外的实施例提供用于将机械信号输入电子系统的半导体输入控制装置，该装置包括形成于半导体衬底内的力传感器芯片，力传感器芯片包括第一面和第二面、电气连接元件、力施加区和至少一个力传感器，该力传感器响应于施加到力施加区的外力而提供电输出信号；形成于半导体衬底内的晶体管集成电路，该晶体管集成电路与至少一个力传感器电气联接以接收电信号；封装，该封装封闭力传感器芯片的至少一部分；以及力传递元件，其与力传感器芯片协作，将外力传递到力传感器芯片；其中，晶体管集成电路提供来自至少一个力传感器的电输出信号的信号调节和信号处理。
本发明的以上和其它方面、特征和优点将从结合下述附图所示的、下面更具体的本发明的说明中变得更加明显，附图中图1是力输入控制装置的视图，该装置具有位于力传感器芯片的第一面上的电气连接元件、位于力传感器芯片的第二面上的力施加区以及与力传感器芯片的第二面上的力施加区连联接的力传递元件。图2是输入控制装置的视图，该装置具有力传感器芯片的电气连接元件，暴露这些元件以在电子系统内直接安装到半导体输入控制装置。图3是力输入控制装置的视图，该装置具有位于力传感器芯片的第一面上的力传感器芯片的力施加区和电气连接元件以及与力传感器芯片的第一面上的力施加区联接的力传递元件。图4是带有力传感器芯片中的硅通孔的输入控制装置的视图。图5是具有按钮的输入控制装置的视图，该按钮提供与外力的接口并将外力传递到力传递元件。图6是具有力传感器芯片的输入控制装置的视图，该力传感器芯片以倒装片方式安装在晶体管集成电路顶部，该电路提供来自力传感器的电输出信号的信号调节和信号处理。图7是具有力传感器芯片的输入控制装置的视图，为了引线接合，该芯片安装在晶体管集成电路顶部，该电路提供来自力传感器的电输出信号的信号调节和信号处理。图8是安装在印刷电路板(PCB)上的输入控制装置的视图，而力传感器芯片的第一面相对于PCB平面的位置有多种相互位置。图9是具有输入控制装置在蜂窝电话本体上的不同位置的蜂窝电话的视图。图10是具有输入控制装置在游戏装置的本体上的不同位置的游戏装置的视图。在附图的若干视图中，对应的附图标记标示对应的部件。熟练的技术人员会意识到附图中的元件作了简化清晰显示且不必成比例地绘制这些元件。例如，附图中一些元件的尺寸可相对于其它元件被放大以有助于改善对本发明的各个实施例的理解。同样，为了便于更少阻碍地观察本发明的这些各种实施例，经常不示出在商业上可实行的实施例中有用或必要的普通但熟知的元件。
具体实施例方式本实施例部分地提供用于诸如蜂窝电话、便携式游戏机、遥控装置、PDA、数字照相机等的大量消费者市场的单轴或双轴或三轴力输入控制装置。此外，本实施例提供用于电子消费装置中的不同功能的单轴或双轴或三轴力输入控制装置的封装方案。附加地，本实施例提供低成本的单轴或双轴或三轴力输入控制装置。此外，本实施例提供小尺寸的单轴或双轴或三轴力输入控制装置。另外，本实施例提供高度可靠的单轴或双轴或三轴力输入控制装置。本实施例还提供高度稳定的单轴或双轴或三轴力输入控制装置。附加地，本实施例提供可升级的(scalable)单轴或双轴或三轴力输入控制装置。此外，本实施例提供允许用于施加外力的方便的解决方案的单轴或双轴或三轴力输入控制装置。图1至10示出力输入控制装置、它们的封装、组装和安装的不同选择的各种实施例。在下面六个实施例中给出根据本发明的实施例的装置的详细描述。本发明不限于这六个实施例，且为表示本发明的发明性方面而提供这六个实施例。此外，下述实施例的特征和方面可以不脱离本发明地进行互换。尽管借助本发明的具体实施例和应用场合来描述下面公开的本发明，但可由本领域的技术人员不脱离权利要求书中阐释的本发明的范围来对其作多种修改和变化。第一实施例在图1中示出根据第一实施例的输入控制装置1的例子。输入控制装置1包含封装22、半导体力传感器芯片10和力传递元件M。形成于半导体衬底内的力传感器芯片10 具有第一面(1 和第二面(14)，具有电气连接元件18、力施加区16并包含至少一个力传感器20，该传感器响应于施加到力施加区16的外力提供电输出信号。第一面(1 与第二面(14)相对。在输入控制装置1的另一形式中，为了输入控制装置1的更好的和多轴的灵敏度， 力传感器芯片10具有附加的力传递元件，该力传递元件联接到封装22的力传递元件M和力施加区16。联接到力传感器芯片10的力传递元件M可由允许外力传递到力传感器芯片10 的基本上任何相关的材料制成。例如，力传递元件M可由如下材料构造成金属、合金、塑料、橡胶、硅、陶瓷、玻璃，以及上述的组合和/或其它这种相关的材料。附加地，力传递元件 M可构造成具有不同结构，像单层均勻材料、至少两层均勻材料、具有硬度梯度的不均勻材料及上述的组合。电气连接元件18可以是具有下凸金属的金属垫、焊接球或焊接凸起，或者是使输入控制装置1可以安装到并电气联接到例如印刷电路板沈的其它这种结构。在一些实施方式中，电气连接元件18允许力传感器芯片10以倒装片的方式安装在封装22内。附加的材料和结构可用在力传感器芯片10和封装22之间的接触面处，以提供力传感器芯片10和封装22之间连接的机械强度。例如，可使用未充满的附加粘合剂、熔融玻璃或其它结构材料；可利用附加的虚设焊点，匹配的机械结构可形成于连接表面上，例如，芯片可置于形成于封装22中的空腔内等等。如上所介绍地，输入控制装置1安装在印刷电路板(PCB06上或电子系统内的其它衬底上。根据第一实施例的输入控制装置1的一些有利的特征在于，电气连接元件18和至少一个力传感器20位于第一面(12)上，力施加区16位于力传感器芯片10的第二面(14) 上，且力传递元件M联接到力传感器芯片10的第二面(14)上的力施加区16。当外力施加到封装22的力传递元件M时，外力被传递到力传感器芯片10的力施加区16。力传感器芯片10响应于所施加的力而提供输出信号。这些信号可用作电子系统中的输入信号。例如，经一个或多个电气连接元件18传递的力传感器芯片10的输出信号可用于蜂窝电话屏幕上的光标位置控制、游戏装置中的人物的运动和动作的控制、监测病人、 运动设备的控制等。力传感器芯片10的输出信号可携带信息以允许对光标或用户界面处的其它物体进行单轴或双轴或三轴或者更复杂的控制。在感测外力向量的N个分量(N = 1、2或幻的普通情况下，输入控制装置1通常包括至少N个力传感器，这些传感器提供包含关于外力向量的N个分量的信息的独立的电输出信号。响应于传递到并施加到力施加区16的外力而提供电输出信号的力传感器20可选自以下，但不限于以下压电晶体管、PN结、隧道二极管、肖特基二极管、剪切应力部件、压阻惠斯通电桥、MOS晶体管、互补CMOS晶体管、双极晶体管、P-N-P和N-P-N双极晶体管、双极晶体管和连接到晶体管的至少一个压电晶体管、MOS晶体管和连接到晶体管的至少一个压电晶体管、双极性晶体管电路和CMOS晶体管电路、压电传感器、电容器、差动电容器、电容电桥、磁传感器、电磁传感器、磁电传感器、光学传感器、辐射发射和辐射敏感部件、振动传感器、声波传感器、热传感器、热传递传感器或它们的组合，和/或其它这种相关的装置。在许多情况下，由力传感器20提供的电信号是经处理的。这种处理可包括信号调节和信号处理。信号调节可包括但不限于与温度相关的测量值误差的补偿、放大、非线性补偿、力传感器芯片的输出信号数字化或将输出信号转换成频率。尽管也可使用模拟处理，但信号处理较佳地以数字形式进行。信号处理可包括来自不同的力传感器的信号复用、由信号的数字处理来计算施加到输入控制装置的力向量的一些或所有分量或模，提供传感器参数，例如偏移和敏感度及其它操作的修正。信号调节和处理电子装置还可包括用于无线传递信号的电路。信号调节和处理通常利用使用晶体管的集成电路，有时在后文中被称为“晶体管集成电路”。在根据第一实施例的一些实施方式的输入控制装置1中，至少一些信号调节和处理电路集成在力传感器芯片10上。第二实施例图2示出图1的输入控制装置1的变型。在此实施例中，封装22封闭力传感器芯片10的一部分，使力传感器芯片10靠近第一面12的一部分露出，且还包括将外力传递到力施加区16的力传递元件M。露出电气连接元件18，以例如直接将其以倒装片方式安装到 PCB^。第三实施例在图3中示出根据第三实施例的输入控制装置1。输入控制装置1包含封装22、 半导体力传感器芯片10和力传递元件M。形成于半导体衬底内的力传感器芯片10具有第一面(1 和第二面(14)，具有电气连接元件18、力施加区16，并包含至少一个力传感器 20，该传感器响应于施加到力施加区16的外力而提供电输出信号。通常，金属垫用作电气连接元件18。电气连接元件使力传感器芯片10可进行引线接合。输入控制装置1安装在印刷电路板(PCB06上或电子系统内的其它衬底上。根据图3中示出的实施例的输入控制装置1的一些特征在于，电气连接元件18和至少一个力传感器20以及力施加区16位于力传感器芯片10的第一面(12)上，而力传递元件M也联接到力传感器芯片10的第一面上的力施加区16。在输入控制装置1的这个第三实施例中，电气连接元件18可用于封装22内的引线接合。如果对于一些应用场合要求力传感器芯片以倒装片方式安装在封装内，则可使用图4中所示的输入控制装置1的形式。图4示出输入控制装置1，其中力传感器芯片10具有位于力传感器芯片10的第一面(12)附近的至少一个力传感器20、这些传感器20的电气连接件观和力施加区16。电气连接元件18位于力传感器芯片10的第二面(14)上并且例如通过硅通孔(TSV) 30与连接件观电气连接。第四实施例在图5中示出根据第四实施例的输入控制装置1。输入装置1包含封装22、半导体力传感器芯片10、力传递元件M和按钮32。形成于半导体衬底内的力传感器芯片10具有第一面(1 和第二面(14)，并具有电气连接元件18和力施加区16。至少一个力传感器 20形成于力传感器芯片内。力传感器20响应于施加到力施加区16的外力提供电输出信号。如上所述，金属垫、焊接凸起、焊接球或其它相关的导电结构用作电气连接元件18。通常，电气连接元件18允许以倒装片方式安装力传感器芯片10。输入控制装置1安装在印刷电路板(PCB06上或电子系统内的其它衬底上。尽管显然外力可直接施加到至封装的力传递元件M，但出于实际目的经常使用外部按钮32。按钮32连接到封装22的力传递元件M。按钮32可由基本上任何相关材料，诸如但不限于，塑料、金属、陶瓷、玻璃、聚合物、宝石，其它这种相关材料或上述的组合制成。 按钮32可具有不同形状和要素，诸如凸形、凹形、鞍形、圆柱形、盘、圆顶、棒、半球形、圆锥形、棱锥形、棱镜、柱座(tore)、波纹形、凹口、触觉上可识别的特征和其它此类特征或组合。 封装22和按钮32都可具有一定轮廓的连接元件，这些元件提供按钮和封装22之间的可靠连接。尤其是，力传递元件M和按钮32可在具有孔、空腔、沟、凹口、柱、销、缘、台阶、条、螺纹、齿、钩或上述的组合的形状的表面上联接。在输入控制装置1的变形中，形成于按钮32 中的有一定轮廓的连接件和力传递元件M具有锁定机构。有一定轮廓的连接元件还可向力传感器芯片10提供力和扭矩过载保护。按钮32符合人体工程学地设计成通过提供较佳的材料、形状、尺寸、操作输入装置要求的力的范围、刚度、最大变形、触感和颜色向使用者提供最大化的方便。输入控制装置1可以是键盘、键垫(key mat)、控制面板、控制面区域等的一部分。按钮还可以是可替代的和可互换的。当外力例如通过手指施加到按钮32时，外力经由力传感器芯片10的力施加区16 和力传递元件M传递到力传感器20。力传感器芯片10响应于所施加的力提供输出信号。 这些信号可用作电子系统中的输入信号。力传感器芯片10的输出信号可具有多个分量并且可允许对例如游戏人物或用户界面处的其它物体进行单轴或双轴或三轴控制。第五实施例图6和7示出根据第五实施例的输入控制装置1的例子。输入装置1包含封装22、 半导体力传感器芯片10、力传递元件M和第二半导体芯片34。形成于半导体衬底内的力
9传感器芯片10具有第一面(1 和第二面(14)，具有电气连接元件18和力施加区16。至少一个力传感器20形成于力传感器芯片10内。力传感器20响应于施加到力施加区16的外力而提供电输出信号。第二半导体芯片34包含用于力传感器20的输出信号的信号调节和/或信号处理的晶体管集成电路。在第一实施例的描述中已讨论了使用信号调节和信号处理集成电路的原因。晶体管集成电路可以是基本上任何相关的电路，诸如但不限于，CMOS、双极、双CMOS 和/或其它这种相关的电路。一般来说，力感测、信号调节和信号处理功能之间的划分可以是不同的。力感测、 信号调节和信号处理功能可以集成在一个力传感器芯片10内。在此情况下只需要一个芯片。另一种选择是在力传感器芯片10内集成力感测和至少一些信号调节功能以及在第二半导体芯片34内集成至少信号处理功能。还有一种选择是在力传感器芯片10内集成力感测功能以及在至少另一个半导体芯片34内集成信号调节功能。还有一种选择是在力传感器芯片10内集成力感测功能以及在至少另一个半导体芯片内集成信号调节和信号处理功能。可有更多功能划分的选择。例如，输入控制装置1可具有一起装入一个封装22内的力传感器芯片10和包含晶体管集成电路的信号调节和信号处理芯片34，如图6中所示， 以及位于封装22外部、提供无线通信的第三芯片。可使用不同的方法来建立力感测芯片10和第二半导体芯片34之间的机械和电气连接以及这些芯片到封装的机械和电气连接。图6示出具有形成在第一面12上的电气连接元件18以及位于芯片10的第二面上的力施加区16的力传感器芯片10。电气连接元件 18可以是具有下凸金属的金属垫、焊接球、焊接凸起或其它相关的导电连接件。在一些实施方式中，电气连接元件18允许力传感器芯片10以倒装片方式安装在第二半导体芯片34 上。为了提供力传感器芯片10和第二半导体芯片34之间连接的机械强度，可在这两个芯片之间的接触面处使用附加材料和结构。例如，可使用未充满或附加的粘合剂；可利用附加的虚设焊点，匹配的机械微结构可形成于连接表面上等。第二半导体芯片34具有用于与封装电气连接的电气连接元件36。输入控制装置 1安装在印刷电路板(PCB06上或电子系统内的其它衬底上。图7示出力传感器芯片10的封装和设计的另一选择。在图7中所示的解决方案中，力传感器芯片10具有形成在第一面(1 上的力施加区16和电力连接元件18。第二面(14)用于安装到第二半导体芯片34的顶部上。在一些情况下，力传感器芯片的电气连接元件18和第二半导体芯片34的电气连接元件36形成为适用于引线接合。第六实施例图8示出输入控制装置相对于PC板沈的不同的、可能的定向。已封装的输入装置40以力传感器芯片的第一面(1 平行于PCB的方式安装在PC板沈上。封装过的输入装置42以力传感器芯片的第一面(12)垂直于PCB的方式安装在PC板沈上。例如当有在像蜂窝电话的手持装置的侧壁上有控制按钮的需要时，可以使用这种类型的安装。在此情况下，输入控制装置应当靠近PC板沈的边缘进行安装。在PCB上直接进行的边缘安装通常采用专门的封装，以使输入装置42可靠地机械和电气连接到PC板26。已封装的输入装置44以力传感器芯片的第一面(12)与PCB^成某一锐角(或取决于定向为钝角)的方式安装在？(板沈上。按钮(诸如参见图5描述的按钮3 可与安装类型无关地联接到输入装置40、42、 44。然而，可以理解的是，可根据每种类型的输入装置40、42和44的安装调节按钮32的设计，以向用户提供期望的效果和/或最大的方便。根据本实施例的输入控制装置的优点之一在于，它们可以根据想要的实施方式构造成基本上任何相关的尺寸，包括构造成相对非常小的尺寸，诸如在一些实施例中具有 (0. 1至10)毫米范围的尺寸。这允许在实际上任何位置，诸如在消费电子装置和/或手持装置的表面上，分配最小的空间。然而，当期望有更大的尺寸时，还可构造其它更大尺寸的输入控制装置。图9示出手持装置52，在此例中为包括多个输入控制装置1的无线或蜂窝电话的立体图。由于输入控制装置1可构造成相对较小的尺寸，因此它们还能包含到蜂窝电话52 的基本上任何表面上或表面中。例如，输入控制装置可以不仅置于手持装置的前板上，而且还可置于手持装置的侧面上，如图9中所示。在一些情况下，可以有利地具有经边缘安装的输入控制装置的至少两种基本选择在手持装置的右侧(用于第一组控制件和/或用于惯用右手的人)和在手持装置的左侧(用于第二组控制件和/或用于惯用左手的人)。图9 中所示的手持装置52提供分布在手持装置52的不同位置的多个输入控制装置。在此例中更具体地，图9示出蜂窝电话52，作为可从本实施例的受力控制的单轴或双轴或三轴输入控制装置的使用中获益的手持装置的例子。在蜂窝电话52的前板上示出提供手指控制的微型鼠标或微型操纵杆功能的一个输入控制装置58。还示出安装在蜂窝电话52的侧面上的多个附加的输入控制装置55、57、60和63，这些装置提供相似的受力控制的微型鼠标或微型操纵杆的功能。尤其是，微型鼠标或微型操纵杆输入控制装置57和 55分别从左侧和右侧靠近蜂窝电话52的顶部安装。在图9中所示的例子中，输入控制装置 57可由手指56控制，且输入控制装置56可由拇指M控制。在一些情况下，附加的微型鼠标或微型操纵杆输入控制装置60和63可安装在蜂窝电话52的侧壁的其它部分上，在这些部分上，微型鼠标或微型操纵杆输入控制装置60和63可由用户手指，诸如分别由手指59、 61来控制，如图9中所示。图10示出游戏装置70，作为可从本实施例的受力控制的单轴或双轴或三轴输入控制装置的使用中获益的手持装置的另一例子。例如，一个或多个输入控制装置可安装在游戏装置70的前板上。在游戏装置70的前板上示出两个微型操纵杆输入控制装置77、79。 如图10中所示，这些输入控制装置77和79通常分别由例如拇指76和78来控制。类似的受力控制的微型操纵杆输入控制装置还可安装在游戏装置70的侧壁上。图10示出安装在游戏装置70的侧壁的顶部上的微型操纵杆输入控制装置80、82。微型操纵杆输入控制装置84、86还可分别安装在游戏装置70的左侧壁和右侧壁上。微型操纵杆输入控制装置可安装在游戏装置70的前板、后板和侧壁的其它部分上。如在第四实施例中所述，按钮可以符合人体工程学地设计成通过提供较佳的材料、形状、尺寸、操作输入装置所要求的力的范围、刚度、最大变形、触感和颜色来向用户提供最大的方便。手持装置，例如蜂窝电话52或游戏装置70可具有本实施例的多个输入控制装置， 诸如微型鼠标或微型操纵杆输入控制装置或多组这种装置。
附加地或替代地，消费电子装置(例如，手持装置)可具有用于诸如手指控制的微型操纵杆输入控制装置的输入控制装置1的多个插口(socket)，且这些输入控制装置可安装或重新安装在不同插口和/或不同的消费电子装置中。此外，微型鼠标和微型操纵杆输入控制装置可具有可编程功能和可选择的灵敏度。例如，在具有两个三轴微型操纵杆的游戏装置中，输入控制装置(例如，输入控制装置 77和79)可允许控制六个独立的参数。所述的三轴输入控制装置1，诸如手指或拇指控制的微型鼠标、微型操纵杆装置和其它这种装置可提供控制多达三种独立功能的能力。例如，两种功能可控制物体在蜂窝电话、游戏装置或其它用户电子或手持装置的屏幕上沿任何方向的运动。通常，运动的速度可与所施加的力成比例。因此，输入控制装置1的第三种功能可以例如是用作动作按钮。手指或拇指控制的微型鼠标或微型操纵杆装置的这些优点相比于蜂窝电话和其它手持电子装置中广泛使用的四路按钮来说提供上佳的功能性。此外，输入控制装置1(诸如微型鼠标或微型操纵杆控制装置)的上述各种放置的选择和分配和编程功能的灵活性为使用这些类型的输入控制装置的电子系统带来附加值。相似地，本实施例的单轴、双轴和/或三轴力传感器可包含到可由施加的力作为输入进行控制的基本上任何装置、系统和设备中。如在两个例子中所介绍地，本实施例的一个或多个单轴或多轴线力传感器可包含到无线电话52和游戏装置70中，也可包含到无线电话52和/或游戏装置70上的多个位置处(例如，前、后、顶、底、左侧、右侧、前板、边、 控制板、控制区域、侧壁等)。此外，单轴或多轴线力传感器可包含到许多其它装置和系统中，诸如但不限于，消费电子装置{便携式多媒体和/或音频播放器(例如，收音机、MP3播放器、光盘(⑶)播放器、数字多用碟(DVD)播放器和其它这种播放器)、计算机、打印机、 复印机、扫描仪、键盘、鼠标、电话、电视机、DVD播放器、蓝光播放器、立体音响、遥控装置、 PlayStation, X_Box、任天堂Wii等的游戏控制器、便携式游戏播放装置和其它消费电子装置}；家用电器{微波炉、烤箱、灶具台面、洗衣机、烘衣机、洗碟机、冰箱、真空吸尘器和其它这种装置}；运输装置{用于导航/GPS系统、收音机、巡航控制的控制件，包括包含到汽车、船、 飞机、火车和许多其它类型的运输装置的方向盘上的控制件}；医疗设备{假肢、血压计、助听装置、病人状态监测和警报装置、康复装置、牙科和其它系统及装置}；军用设备；机器人；运动设备；教育；玩具和经由力来接收输入的其它装置。由于用途范围广泛，输入控制装置1可包含到装置或系统的基本上任何位置，以提供方便的使用，这些位置包括但不限于前、后、顶、底、左侧、右侧、前板、边、控制板、控制区域、侧壁、手柄、外表面、物体内部和/或上述组合。应当理解，芯片的微结构、按钮、封装的结构，它们安装的方法和所用的材料并不限制本发明，而是仅说明由本发明覆盖的各种技术方案中的一些。尽管已参照一些实施例详细描述了本发明，但应当理解，可在不脱离本发明的真实精神和范围内对本发明进行变化和修改。
权利要求
1.一种用于将机械信号输入电子系统的半导体输入控制装置，包括力传感器芯片，所述力传感器芯片形成于半导体衬底内，所述力传感器芯片具有第一面和第二面、电气连接元件、力施加区、以及至少一个力传感器，所述力传感器响应于施加到所述力施加区的外力提供电输出信号；封装，所述封装封闭所述力传感器芯片的至少一部分；以及力传递元件，所述力传递元件与所述力施加区协作，所述力传递元件将外力传递到所述力传感器芯片；其中，所述力传感器芯片的所述电气连接元件和力施加区位于所述力传感器芯片的所述第一面上，且当施加所述外力时，所述力传递元件与在所述力传感器芯片的所述第一面上的所述力施加区接触。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述外力直接施加到所述封装的所述力传递元件。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，为了所述装置的更好的和多轴的灵敏度，所述力传感器芯片具有联接到所述封装的所述力传递元件的力传递元件。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述力传感器芯片的所述力传递元件由选自以下材料制成金属、合金、塑料、橡胶、硅、陶瓷、玻璃或上述的组合。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述封装的所述力传递元件由选自以下的材料制成一层均勻材料、至少两层均勻材料、带有硬度梯度的不均勻材料或上述的组合。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，将所述封装安装在PCB上并且与所述PCB的机械联接选自以下焊接件、未充满的粘合剂、敷加在所述封装的侧壁和PCB表面的周围的粘合剂、金属支架或上述的组合。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，上述力传感器芯片由引线接合到所述封装内。
8.一种用于将机械信号输入电子系统的半导体输入控制装置，包括形成于半导体衬底内的力传感器芯片，所述力传感器芯片包括第一面和第二面、电气连接元件、力施加区、以及至少一个力传感器，所述力传感器响应于施加到所述力施加区的外力提供电输出信号；以及封装，所述封装封闭所述力传感器芯片的至少一部分，所述封装包括将外力传递到所述力传感器芯片的力传递元件；其中，所述电气连接元件位于所述力传感器芯片的所述第一面上，所述力施加区位于力传感器芯片的所述第二面上，且当施加所述外力时，所述力传递元件与在所述力传感器芯片的所述第二面上的所述力施加区接触。
9.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述力传感器芯片以倒装片方式安装在所述封装内。
10.一种用于将机械信号输入电子系统的半导体输入控制装置，包括力传感器芯片，所述力传感器芯片形成于半导体衬底内，所述力传感器芯片包括第一面和第二面、电气连接元件、力施加区、以及至少一个力传感器，所述力传感器响应于施加到所述力施加区的外力提供电输出信号；晶体管集成电路，所述晶体管集成电路形成于半导体衬底内，所述晶体管集成电路与所述至少一个力传感器电气联接以接收所述电信号；封装，所述封装封闭所述力传感器芯片的至少一部分；以及力传递元件，所述力传递元件与所述力传感器芯片协作，所述力传递元件将外力传递到所述力传感器芯片；其中，所述晶体管集成电路提供来自所述至少一个力传感器的所述电输出信号的信号调节和信号处理。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，为将所述半导体输入控制装置直接安装到电子系统中，使所述力传感器芯片的电气连接元件露出。
12.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述装置具有至少N个力传感器，N小于四，所述至少N个力传感器提供独立的电输出信号，所述信号包含关于外力向量的N个分量的信息。
13.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述半导体输入控制装置安装在印刷电路板(PCB)上，因而，所述力传感器芯片的所述第一面相对于所述PCB平面的位置的相互位置选自以下相互位置，包括平行、垂直或不平行。
14.如权利要求10所述的装置，其特征在于，还包括按钮，所述按钮提供与所述外力的接口并将所述外力传递到所述力传递元件，以使得所述力传递元件将所述外力传递到所述力传感器芯片。
15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述按钮具有使所述按钮与所述力传递元件协配的连接件，所述连接件构造成允许所述按钮被替换。
16.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述按钮集成到选自以下组的控制面板中，所述组包括以下所述的一个或多个键盘、键垫、控制面区域及上述的组合。
17.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述装置安装在物体上的选自以下的位置处前、后、顶、底、左侧、右侧、前板、边、控制板、控制区域、侧壁、手柄、方向盘、外表面、物体内部或上述的组合。
18.如权利要求10所述的装置，其特征在于，响应于施加到所述力施加区的所述外力而提供所述电输出信号的所述至少一个力传感器中的一个或多个力传感器选自以下压电晶体管、PN结、隧道二极管、肖特基二极管、剪切应力部件、压阻惠斯通电桥、MOS晶体管、互补成对CMOS晶体管、双极晶体管、成对的P-N-P和N-P-N双极晶体管、双极晶体管和连接到晶体管的至少一个压电晶体管、MOS晶体管和连接到晶体管的至少一个压电晶体管、双极晶体管电路和CMOS晶体管电路、压电传感器、电容器、差动电容器、电容电桥、磁传感器、电磁传感器、磁电传感器、光学传感器、辐射发射和辐射敏感部件、振动传感器、声波传感器、热传感器、热传递传感器或它们的组合。
19.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述电气连接元件选自以下用于引线接合的金属接触垫、用于倒装片方式接合的金属垫、焊接球、焊接凸起、穿过硅通孔、射束引线或它们的组合。
20.如权利要求10所述的装置，其特征在于，由所述晶体管集成电路提供的所述电输出信号的所述信号调节和信号处理包括选自如下所述的力感测、信号调节和信号处理功能之间的划分在一个力传感器芯片内集成力感测、信号调节和信号处理功能；在力传感器芯片内集成力感测和至少一些信号调节功能，且在至少另一芯片内集成至少信号处理功能；在力传感器芯片内集成力感测功能，且在至少另一芯片内集成信号调节功能；在力传感器芯片内集成力感测功能，且在至少另一芯片内集成信号调节和信号处理功能。
21.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述晶体管集成电路位于所述半导体输入控制装置的所述封装内。
22.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述晶体管集成电路选自以下CM0S、双极和双CMOS。
23.如权利要求10所述的装置，其特征在于，电气连接元件位于所述第一面上，力施加区位于力传感器芯片的所述第二面上，且所述力传递元件与在所述力传感器芯片的所述第二面上的所述力施加区联接。
24.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述力传感器芯片的电气连接元件和力施加区位于所述力传感器芯片的所述第一面上，且所述力传递元件与在所述力传感器芯片的所述第一面上的所述力施加区联接。
全文摘要
已公开适于诸如蜂窝电话、便携式游戏装置和其它手持电子装置的大量应用连同像医疗设备、机器人、安全系统和无线传感器网络的其它应用的输入控制装置。该装置可以是单轴或双轴或三轴灵敏性的，从而拓宽应用范围。装置包括力传感器芯片，该传感器芯片形成于半导体衬底内并包含力传感器以及用于安装和/或引线接合的电气连接元件，该力传感器响应于施加的外力提供电输出信号。信号调节和处理集成电路可以集成在某些装置内。封装封闭所述力传感器芯片的至少一部分，且包括与用于将外力传递到力传感器芯片的传感器芯片协配的力传递元件。
文档编号G06F3/033GK102292692SQ200980155487
公开日2011年12月21日 申请日期2009年12月22日 优先权日2008年12月22日
发明者尼古拉·别洛夫, 弗拉多米尔·瓦格诺夫 申请人:尼古拉·别洛夫, 弗拉多米尔·瓦格诺夫